Двигатели
внутреннего сгорания

 
         

 

Главная
Основы конструирования
Расчеты
Силы и моменты
Поршневая группа
Шатуны и штоки
Коленчатые валы
Подшипники
Система газораспределения
Корпусные детали
Анализ конструкции
Устройство и
принцип действия

КШМ
ГРМ
Система смазки
Система охлаждения
Система питания
Система зажигания
Пуск двигателей
Увеличение мощности
Разное

Расчет теплового состояния втулок и крышек цилиндров

Втулка и крышка являются теплонапряженными корпусными деталями, нагреваемыми главным образом горячими газами и имеющими одинаковый тип охлаждения. Поэтому, несмотря на различие геометрической формы и некоторые существенные особенности в работе, расчет температуры этих деталей целесообразно рассматривать совместно. Как и при расчете поршня, температурное поле в этом случае имеет практически стационарный характер. Граничные условия теплообмена для втулки и крышки цилиндра выбирают так же, как для поршня.
Граничные условия теплообмена со стороны газа на верхнем поясе втулки (до кромки поршня при его положении в в.м.т.) и на огневом днище крышки цилиндра выражаются зависимостями, приведенными в учебнике «Двигатели внутреннего сгорания. Теория рабочих процессов поршневых и комбинированных двигателей». Коэффициент теплоотдачи и средняя результирующая температура Тг з в зазоре между втулкой и жаровым поясом поршня ориентировочно равны.
Точки поверхности, находящиеся ниже положения первого компрессионного кольца в в.м.т., подвергаются воздействию горячих газов только в течение части отдельных тактов работы двигателя, когда эти точки не перекрыты поршнем (рис. 313). На угле <рх поворота вала пояс х-х втулки изолирован от теплоотдачи со стороны газов. Тогда коэффициент теплоотдачи со стороны газов Щ и средняя результирующая температура.
Расчет выполняют в первую очередь для установившегося режима работы двигателя. Он заключается в определении стационарного температурного поля в различных точках конструкции на заданном режиме работы двигателя.
К рабочей поверхности втулки теплота передается непосредственно от горячих газов, а также от поршня (главным образом через кольца). Значительную долю теплоты составляет теплота, выделяющаяся при трении колец, а также при трении корпуса поршня. От клапанов, имеющих высокую температуру при значительном коэффициенте теплоотдачи между фаской и посадочной поверхностью, крышке передается значительный тепловой поток.
где Fb F\ - площади соответственно под кривыми оц. и о^ 7"грез (см. рис. 313); д-длина по оси абсцисс в масштабе чертежа, соответствующая одному такту.
Для двухтактных двигателей определяют только площади F2, F2\ F3, Fy Меняя углы <рх от 0 до я через 10-20°, определяют и Тг р^ по рабочей длине втулки. Полученные значения следует скорректировать для каждого участка поверхности с учетом дополнительного подвода теплоты через кольца, а также вследствие теплообмена между втулкой и наддувочным воздухом в подпоршневой полости в случае крейц-копфных двигателей. Теплота трения, отводимая через втулку в охлаждающую жидкость, составляет 20-40% всей теплоты, воспринимаемой втулкой. Корректирование осуществляют в соответствии со схемой, показанной на рис. 313, изменением
И Тг'рез для каждого пояса х-х.
При определении стационарного температурного поля днища крышки на внутренних контурах, соответствующих отверстиям под клапаны, следует задавать средние значения, характеризующие теплообмен в целом за весь цикл-средний тепловой поток qLJ, соответствующие ему приведенный коэффициент теплоотдачи aL; и результирующую температуру клапана IIILj по теплоотдаче: где otj.с ос,-коэффициенты теплоотдачи соответственно для седла при открытом клапане и при закрытом клапане в случае контактного теплообмена (различные для впускного и выпускного клапанов, см. § 5 гл. 8); ф0, ф3, 9-соответственно продолжительность открытия и закрытия клапана и длительность цикла в углах поворота коленчатого вала; Тс, Ггс, Тф КЛ-температуры соответственно седла, омывающей среды (газа или воздуха) и фаски клапана; F-отношение площадей контакта клапана (опорного пояска) и боковой поверхности днища на контуре Lj.
Соответствующее приведение можно выполнить и по средней температуре омывающей контур Lj среды.
В качестве граничных условий наряду с коэффициентом теплоотдачи и средней результирующей температурой газа часто пользуются удельным тепловым потоком q0. Средний в пределах детали тепловой поток qz может быть определен в первом приближении по формуле
С ростом форсирования температура охлаждаемой поверхности втулки и крышки может превысить температуру насыщения охлаждающей жидкости. В этом случае в прилегающих к поверхности слоях жидкости начинается поверхностное кипение и интенсивность теплоотдачи резко возрастает.
и пара.
Значения о^, получаемые по приведенным зависимостям, следует рассматривать как ориентировочные. Они могут служить в качестве первого приближения для задания локальных граничных условий при расчете температурного поля. Последние назначают с учетом результатов многочисленных расчетов, а главное, по экспериментальным данным, полученным на работающих двигателях. Вследствие ограниченности этих данных важное значение имеет решение обратных задач теплопроводности, позволяющее на основании температурного поля детали получить адекватное распределение параметров теплообмена по ее поверхности.
Расчет теплового состояния втулок цилиндров четырехтактных двигателей, а также двухтактных с клапанно-щелевой схемой газообмена проводят в осесимметричной постановке (рис. 314). Принимая квадратичным распределение температуры Т по толщине втулки, т.е. Т= Td + Т[г + Т£г~2, (где г = г — г0) задачу расчета температурного поля втулки можно свести к определению температуры Tq срединной поверхности втулки на радиусе г0, соответствующем линии 1-2-3-4-5-6 стенки. При этом основное дифференциальное уравнение задачи, полученное с использованием соотношения типа (16), совпадает с дифференциальным уравнением теплопроводности (179). При определении коэффициентов //,/2' используют те же формулы, что и при расчете корпуса поршня, изменив обозначения в соответствии с рис. 314 и 100. Координата х по длине втулки отсчитывается от точки 1 верхнего торца втулки. При решении у равнения (179) добавляют граничные условия на торцах втулки.
При осредненных по длине параметрах теплообмена и соответственно коэффициентах //ср и /2'ср решение уравнения (179) имеет вид
Однако такое решение можно рассматривать только как приближенное, так как условия теплообмена по длине рабочей поверхности втулки могут значительно меняться. Вследствие этого решение задачи целесообразно выполнять численными методами, в частности, при помощи МКЭ, используя двухуз-ловые одномерные элементы (см. рис. 19, а). Подлежащий минимизации функционал совпадает с функционалом (180) при обозначениях, соответствующих рис. 314 и 100.
В качестве примера рассмотрим задачу определения температур во втулке цилиндра дизеля при D = 120 мм. Конечно-элементная модель втулки показана на рис. 314,6. Выбрано семь одномерных конечных элементов при восьми узловых точках. При выполнении конструкторских расчетов число узловых точек и соответственно элементов необходимо увеличить. В качестве условий теплообмена на внутренней стороне втулки задан тепловой поток q02, а на наружной, охлаждаемой стороне-коэффициент теплоотдачи а/ = ои температура Тф = Тж. Средний удельный суммарный тепловой поток во втулку q01 составляет — 0,583 • 105 Вт/м2. На верхнем торце принято 4ов= -0,055-105, на нижнем <х3' = 40 Вт/(м2 • °С) и Пр3 = 90°С. Расчет проведен для втулки, выполненной из серого чугуна [X = 50Вт/(м°С); Е = 1,4-105 МПа].
Необходимые для расчета параметры, относящиеся к выделенным элементам дискретной модели втулки, приведены в табл. 25. Выражения вкладов отдельных элементов в общий функционал, а также зависимости частных производных от функционалов отдельных элементов по температурам T0J их узлов получают при добавлении к зависимостям (181) и (182)
Векторы {7J,'} и {/} имеют такой же вид, как в выражении (183), но при значениях д0в, /е, Fe, соответствующих рассматриваемому случаю (см. рис. 314).
Подставив численные значения коэффициентов С,- и вычислив составляющие вектора {/}, найдем, решив систему (443), температуры узловых точек элементов: Т0[ = 220°С, Т02' = = 219,6 °С, Гоз' = 215 °С, То; = 190,8 °С, Г05' = 126 °С, Т06' = = 98 °С, Г07 = 106,5 °С, Г08' = 97 °С. На рис. 314 показано распределение температуры втулки на среднем радиусе.
При расчете теплового состояния крышек (головок) цилиндров первостепенное значение имеет определение температурного поля днища. Расчет теплового состояния днища сводят к расчету пластины произвольного контура с системой отверстий при заданных (см. рис. 18) на поверхностях пластины условиях теплообмена. Обоснованный выбор условий теплообмена является сложной задачей. Так, при расчете теплового состояния крышки требуется знание температурного состояния клапанов и втулки, контактирующей с крышкой непосредственно или через прокладку. При расчете клапанов и втулки в свою очередь нужно знать тепловое состояние крышки. Указанная задача решается путем создания расчетной схемы (например, полной конечно-элементной модели) всего узла. Однако громоздкость модели и чрезмерный объем исходной информации не позволяют до настоящего времени широко использовать данный подход при решении задачи теплопроводности применительно к деталям цилиндро-поршневой группы, поэтому рассматривают изолированную модель крышки цилиндра.
Принимая квадратичным распределение температуры по толщине днища, задачу расчета его температурного поля сводят к определению температуры Т0 срединной поверхности. При этом основное дифференциальное уравнение задачи, полученное с использованием соотношения (16), и соответствующий функционал совпадают с уравнением (18) для стационарного случая и с функционалом (20).
Сложность конструкции и высокая напряженность крышек цилиндров дизелей способствовали широкому распространению в двигателях различного класса и назначения конструкций с плоским огневым днищем.
Если представить днище крышки в виде набора элементов, F например, треугольного типа (рис. 315), то задача расчета те- 4 плового состояния днища будет заключаться в нахождении температур узловых точек Toi срединной поверхности. Учет ло- а кальности условий теплообмена на поверхностях днища осу- р ществляется заданием граничных условий теплообмена по зо- * нам, на которые разделены его поверхности, включая боковые д поверхности отверстий под клапаны. Например, при расчете * температурного поля крышки цилиндров двигателя типа (. ЧН 26/26, используя допущения о симметрии (рис. 315), выделяют 24 зоны, в пределах которых условия теплообмена приняты неизменными (табл. 26).
На рис. 316 представлены результаты расчета стационарного температурного поля в срединной плоскости и температурного перепада AT" по толщине днища одного из вариантов крышки двигателя типа ЧН 26/26, соответствующие режиму работы ре = 1,5 МПа, п = 700 об/мин. Число элементов, на которое была разбита половина днища, составляло 808 при 496 узлах. Расчет выполнен при помощи программ для решения модифицированных плоских задач.
§ 9. Расчет напряженно-деформированного состояния втулок и крышек цилиндров
Расчет ^втулки, а также крышки заключается в определении напряжений, деформаций и перемещений в их различных точках. Как и для других деталей, при расчете втулок и крышек
возможно применение математических моделей различных уровней в зависимости от характера расчета и возможностей его проведения.
Значение и влияние на работоспособность втулки и крышки отдельных видов напряжений различны. Так, остаточные напряжения в крышках, которые при неблагоприятных условиях могут быть значительными, благодаря отжигу, существенно уменьшаются и достигают приемлемого уровня. Уровень напряжений от механической и тепловой нагрузок определяется параметрами рабочего процесса, конструкцией втулки и крышки. Температурные напряжения, которые при прочих равных условиях зависят от степени форсирования двигателя, достигают в выполненных конструкциях больших значений.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 



  Разработано специально для liciss.ru, все права защищены.
Копирование материалов сайта разрешается только с указанием прямой индексируемой ссылки на источник.